光纖傳感器在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用

魏訪

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的日益更新，光纖傳感技術(shù)已被列入高新科技行列，并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)當(dāng)中，且備受世界各國重視。全光網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交換所使用的主要技術(shù)，其承載著巨大的信息量，因此，其安全性和可靠性成為人們所關(guān)心的重大問題之一。文章簡單闡述了光纖傳感技術(shù)及光纖傳感器的概念，分析了全光網(wǎng)絡(luò)及其所存在的安全隱患，并就光纖傳感器在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用進(jìn)行了論述和研究。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；全光網(wǎng)絡(luò)；安全管理

全光網(wǎng)絡(luò)（AII Optical Network，AON）是指一種以光信號為用戶之間信息傳輸與交換的網(wǎng)絡(luò)形式，全光網(wǎng)絡(luò)具有傳輸帶寬高、處理能力強(qiáng)、可抗電磁干擾等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，且正逐步替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及光電網(wǎng)絡(luò)，成為當(dāng)前通信領(lǐng)域的首選通信技術(shù)。全光網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸量和交換量非常大，其安全性至關(guān)重要。伴隨全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的拓展，現(xiàn)為用戶提供一個安全性和可靠性較高的傳輸平臺，成為業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。

1 光纖傳感技術(shù)與光纖傳感器

1.1光纖傳感技術(shù)的特質(zhì)和應(yīng)用

據(jù)相關(guān)資料表明，自20世紀(jì)70年代以來，伴隨光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于光纖傳感技術(shù)而發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)也不斷發(fā)生變化，其以光波為主體，以光纖為載體，相互得到感應(yīng)和傳輸外界被測量信號的新型傳感作用。因此，不管是用于測量信號的主體光波，還是用于傳播光波的載體光纖，其都具備特殊的優(yōu)勢，并擁有普通主體和載體獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其融合了信息傳輸及光子技術(shù)，并得到了廣泛應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)及生活當(dāng)中作出了巨大貢獻(xiàn)，因而廣受青睞，并不斷向前發(fā)展。

多年來的科研成果不斷投入使用，促進(jìn)了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。利用光纖傳感技術(shù)可完成很多技術(shù)難度較高，甚至很多傳統(tǒng)技術(shù)難以完成的測量任務(wù)，如于高壓電環(huán)境下進(jìn)行測量、在具強(qiáng)磁場干擾的環(huán)境下進(jìn)行測量等任務(wù)。雖然光纖傳感技術(shù)源于人類，是人類所研究和創(chuàng)造出來的，但其卻具有人類無法企及的能力，接收到很多人類無法接收的訊息。相比于傳統(tǒng)的傳感器，光纖傳感器的性能更佳。同時，它還可與計算機(jī)相互連接，具有傳統(tǒng)科技無法比擬的輕便性和便捷性優(yōu)勢。

1.2光纖傳感器

光纖傳感器是一種利用光纖中光傳導(dǎo)時因受被測對象的影響而導(dǎo)致光發(fā)生一系列變化，通過分析光的變化而對被測對象進(jìn)行檢測或控制的傳感器。相比于傳統(tǒng)傳感器，光纖傳感器具高靈敏度、良好電絕緣性、防爆、耐腐蝕、光路可彎曲、結(jié)構(gòu)簡單、聯(lián)接方便、體積小、重量輕等優(yōu)勢‘1]。光纖傳感器最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后逐步發(fā)展至各工業(yè)領(lǐng)域，如電力、石油、化工、交通、建筑等，同時在國防、公共安全、環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的監(jiān)測作用。 依傳感原理，光纖傳感器可分為功能型和非功能型兩種；依被調(diào)制光波參數(shù)不同，光纖傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等各類光纖傳感器[2]。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類新型光纖傳感器逐步涌現(xiàn)，如光子晶體光纖傳感器、聚合物光纖傳感器、長周期光纖光柵傳感器等，甚至還研發(fā)出了一些可于接收現(xiàn)場進(jìn)行測試的傳感結(jié)構(gòu)，尤其是分布傳感技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的分布測試。將其應(yīng)用于全光網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可迅速“感知”光纖是否被損，使得全光網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性得以提高。

2 全光網(wǎng)絡(luò)及其安全隱患

2.1全光網(wǎng)絡(luò)概述

全光網(wǎng)絡(luò)是指以光信號為用戶之間傳輸及交換信息的主要方式的網(wǎng)絡(luò)形式，全光網(wǎng)絡(luò)具傳輸速率快、處理能力強(qiáng)、可抗電磁干擾等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域當(dāng)中，并逐步取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和光電網(wǎng)絡(luò)，成為當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。因全光網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的信息傳輸量非常大，所以.其安全性及可靠性顯得尤其重要。全光網(wǎng)絡(luò)是基于光纖傳感技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型網(wǎng)絡(luò)形式，其安全性和可靠性直接影響了全光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2全光網(wǎng)絡(luò)的安全隱患

就全光網(wǎng)絡(luò)本身而言，其主要由業(yè)務(wù)層、適配層和光層共同組成，雖各業(yè)務(wù)層均有相應(yīng)安全機(jī)制以保證信息傳輸與交換的安全性，但于光層中實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制是當(dāng)下全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與應(yīng)用的研究重點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，全光網(wǎng)絡(luò)的安全性較為脆弱，主要體現(xiàn)在以下方面：（1）全光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管系統(tǒng)、光部件及光纜會發(fā)生故障或遭到破壞，致系統(tǒng)癱瘓，影響信息傳輸安全性。（2）未實(shí)施保護(hù)的光纖會被利用，致系統(tǒng)遭到攻擊。（3）光網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中有多個波長在進(jìn)行傳輸，信道間的串?dāng)_會影響信息傳輸?shù)陌踩浴＃?）高速傳輸速率會加大數(shù)據(jù)破壞量，有時即使只是短暫的攻擊，系統(tǒng)被破壞或解密的數(shù)據(jù)量也非常大。（5）無重建數(shù)據(jù)流功能、透明節(jié)點(diǎn)無法識別信號調(diào)制及編碼格式等，都會在一定程度上影響系統(tǒng)的安全性。

伴隨全光網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)的透明性越來越顯著，其雖有利于提高網(wǎng)絡(luò)性能，但造成了一定安全隱患。據(jù)相關(guān)研究分析表明，全光網(wǎng)絡(luò)仍存在類似于傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)與光電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所存在的問題，尤其是帶內(nèi)干擾和帶外干擾，嚴(yán)重影響全光網(wǎng)絡(luò)的安全性。總體而言，當(dāng)前全光網(wǎng)絡(luò)的安全問題主要體現(xiàn)在以下3方面：（1）帶內(nèi)干擾。帶內(nèi)干擾主要是利用單個高能發(fā)射機(jī)將信號插入鏈路當(dāng)中，從而使接收機(jī)的解譯能力降低。帶內(nèi)干擾不僅會影響該鏈路上的信號，而且還會使得連接于此鏈路或此鏈路上節(jié)點(diǎn)的其他鏈路信號強(qiáng)度減弱。（2）帶外干擾。帶外干擾主要是利用外來干擾影響全光系統(tǒng)，與此同時利用所引發(fā)的光學(xué)器雜亂對系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，主在利用泄漏組件或交叉調(diào)制以減弱通信信號能量。若光纖放大器含交叉增益調(diào)制作用，帶外干擾就更易產(chǎn)生。（3）非法探測。非法探測是攻擊者利用合法用戶的共享資源對鄰近信道所泄漏的道間串?dāng)_進(jìn)行監(jiān)聽，以干擾或竊聽鄰近信號信息。非法探測的主要目的在于盜取用戶信息，是一種嚴(yán)重侵犯合法用戶權(quán)益的行為。

3 光纖傳感器在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用

針對全光網(wǎng)絡(luò)所受到的攻擊，系統(tǒng)通常會進(jìn)行自動診斷及檢測，當(dāng)前所采取的方法主要有兩種：一種是統(tǒng)計分析通信數(shù)據(jù)，另一種是測量相關(guān)信號。統(tǒng)計分析通信數(shù)據(jù)主要利用寬波帶能量檢測和光譜分析兩種方式；測量相關(guān)信號主要利用導(dǎo)頻音和光時域反射儀兩種方式，這兩種方式的工作原理都是通過分布式光纖傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的[3]。分布式光纖傳感器是一種良好的結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布監(jiān)測器，其可在不對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害的前提下利用光導(dǎo)纖維的傳感運(yùn)輸雙重性，對檢測場地沿光纖分布的多個節(jié)點(diǎn)或是連續(xù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，取代了傳統(tǒng)的利用多臺獨(dú)立的點(diǎn)傳感器進(jìn)行測量的方法，有效提高了測量效率。

當(dāng)前在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的光纖傳感器主要有光時域反射儀和光頻域反射儀，其中光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）主要是利用光脈注入光纖及返回入射端之間的時間差來實(shí)現(xiàn)位置信息的提取。基于OTDR的光纖傳感技術(shù)包括基于布里淵散射光時域反射儀（Brillouin Optical Time DomainReflectometer，BOTDR）、基于布里淵光時域分析技術(shù)（Brillouin Optical Time Domain Analysis， BOTDA）及基于喇曼散射光時域反射儀3種分布式光纖傳感器。這同種光纖傳感器于全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為以下幾方面。

（1）基于OTDR。基于OTDR的分布式光纖傳感器主用于檢測光纖的損耗點(diǎn)，可對整條光纖線路距離方面的損耗變化情況進(jìn)行連續(xù)性顯示，其具強(qiáng)非迫害性，方便使用且具較多功能。但其在使用過程當(dāng)中始終存在一段盲區(qū)，導(dǎo)致光纖兩端的衰減值存在較大差異。因此，在計算光纖衰減值通常取兩者的平均值。

（2）基于BOTDR。基于BOTDR的分布式光纖傳感器主用于監(jiān)測應(yīng)力及溫度。針對單一分布參數(shù)的測量具較高精度和空間分辨率，但布里淵的頻移較小，且其線寬較窄，對于激光器頻率的穩(wěn)定性及光濾波器的要求較高，致其使用范圍受限。

（3）基于BOTDA。基于BOTDA主應(yīng)用于監(jiān)測應(yīng)力及溫度變化。其精度及空間分辨率較高，動態(tài)范圍非常廣且具較高檢測精度。但其系統(tǒng)相對復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，通常需于被檢測對象兩端分別旋轉(zhuǎn)泵浦激光器和探測激光器，使用條件受限，且無法檢測斷點(diǎn)。

（4）基于ROTDR。基于ROTDR主要應(yīng)用于監(jiān)測溫度變化，有助于提高系統(tǒng)的相對靈敏度及溫度測量精度，有效拓展了系統(tǒng)功能。但其要求良好光源，且返回信號較弱。

光頻域反射儀也叫相干光頻域反射儀（Optical FrequencyDomain Reflectiometry，OFDR），是一種于頻率軸上將位置信息進(jìn)行提取的方法，其是先對檢測對象進(jìn)行連續(xù)線性掃描，然后利用反射光和參考光的拍頻譜來計算反射光的分布。OFDR在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在利用OFDR對光纖上所受到的攻擊進(jìn)行在線測試，以對被攻擊的光纖進(jìn)行迅速定位，并將位置信息報告于上層管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)能及時采取相應(yīng)保護(hù)措施，以免受到破壞性攻擊。

4結(jié)語

總而言之，伴隨通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，全光網(wǎng)絡(luò)將逐步取代傳統(tǒng)普通網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，全光網(wǎng)絡(luò)所傳送的信息量極大，一旦出現(xiàn)安全管理問題，將會帶來不可預(yù)估的損失。為加強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕饩W(wǎng)絡(luò)通常會帶有一定保護(hù)措施。實(shí)踐證明，光纖傳感器可有效防范全光網(wǎng)絡(luò)的安全問題，為進(jìn)一步發(fā)揮光纖傳感器對于全光網(wǎng)絡(luò)的安全防范作用，還需進(jìn)行深入研究與探討。

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